三相光伏并网发电系统控制系统设计.docx
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三相光伏并网发电系统控制系统设计
三相光伏并网发电系统控制系统设计
摘要
随着社会的发展，人类对能源的消耗越来越大，而传统化石能源不仅污染大，而且资源不可再生。
作为新能源的太阳能具有可再生和绿色环保两大优点，太阳能发电受到了越来越多国家和地区的重视。
我国近年来大力发展光伏发电，太阳能光伏发电迎来了新一轮的快速增长。
光伏并网发电具有很高的实用价值和理论意义，各国政府对光伏发电的重视度越来越高，光伏并网发电也成为了一个新型的热门产业。
本文从光伏发电系统的发展历程和现在状况着手，介绍了三相光伏并网发电系统的各个部分，并分别介绍了各个部分的作用和原理。
三相并网逆变器的控制技术是本文的重点研究内容，它是整个系统的核心部分，在此之前，论文先从组成结构、应用原理、工作原理对三相并网逆变器进行了研究。
在经过比较分析后，本文选择电压型逆变器作为三相光伏并网系统的主电路结构，采用SPWM调制方式对并网电流进行控制，采用闭环控制的方法，将从电网上采集到的电流信号与逆变电路的输出电流进行比较，接着采用比例积分调节（PI控制），将采集到的信号进行放大，并与三角波进行比较，比较结果作为SPWM的调
制信号。
最后，基于Matlab/Simulink对三相光伏发电系统控制系统进行了仿真，得出了符合国家电网要求的并网电流。
关键词：
光伏发电，逆变，并网，SPWM
Abstract
Withthedevelopmentofsociety,thetraditionalfossilenergyisnotonlypolluting,butalsononrenewableresources.Asthenewenergyofsolarenergyhastwomajoradvantagesofrenewableandgreenenvironmentalprotection,solarpowerhasbeentheattentionofmoreandmorecountriesandregions.Inrecentyears,thedevelopmentofphotovoltaicpowergeneration,solarphotovoltaicpowergenerationusheredinanewroundofrapidgrowth.Photovoltaicgridconnectedpowergenerationhasveryhighpracticalvalueandtheoreticalsignificance,governmentstheimportanceofthree-phasephotovoltaicgridconnectedsystemisgettingmoreandmore,photovoltaicgridconnectedpowergenerationhasbecomeanewhotindustry.
Fromthedevelopmentofphotovoltaicpowergenerationsystemandpresentsituation,thepaperintroducesthevariouspartsofthethree-phasephotovoltaicgridconnectedpowergenerationsystem,andintroducesthefunctionandprincipleofeachpart..Theresearchonthecontroltechnologyofthreephasegridconnectedinverteristhekeycontentofthispaper,anditisthecoreofthewholesystem.Beforethis,thepaperstudiesthethree-phasegridconnectedinverter,andanalyzesthestructure,workingprincipleanditsmainapplicationtypes..Thevoltagetypeinverterasthemaincircuitofthethree-phasegridconnectedphotovoltaicinverterusingSPWMmodulationmethodtocontrolthegridcurrent,usingclosedloopcontrolmethod,itgatherfromthegridtocurrentsignalandthecircuitoftheinverteroutputcurrentiscompared,thentheproportionintegraladjustingcontrol（PI）,thecollectedsignalamplification,andcomparedwiththetriangularwave,andcomparetheresultsasSPWMmodulationsignal.Finally,thesimulationofthethree-phasephotovoltaicpowergenerationsystembasedonlab/SimulinkMatiscarriedout,andthegridcurrentwhichmeetstherequirementsofthenationalgridisobtained..Keywords:
Photovoltaic,Inverter,Gridconnected,SPWM
第一章绪论
1.1课题背景
随着科技的进步和现代工业的发展，全球资源危机和空气污染问题越来越突出，传统的化石能源正在日益消尽，而化石燃料对环境造成的污染日益严重，诸如近些年来，我国日益严重的雾霾问题，就是因为化石燃料的过度使用使得空气中的PM2.5指数飙升。
这些年来，各国都把能源中心放到了可再生能源，希望可再生能源能够成为能源结构的重要组成部分，实现稳定的可持续发展的经济发展，其中光能以其独特的优势引起了各国政府的重视。
地球上拥有丰富的太阳能资源，是取之不尽用之不竭的、廉价的、能够自由使用的清洁能源。
太阳辐射每秒钟到达地球表面的能量高达100万千瓦时，相当于600万吨煤炭资源的能量，如果人类能将这些能源合理的利用起来，那么世界将是一片新的格局。
正是由于太阳能的这些独特优势，从上世纪70年代开始，太阳能的利用不断增加、应用范围日益广阔、市场规模也逐步扩大。
20世纪90年代后，光伏发电得到了快速的发展，世界光伏组件在1990年——2005年年平均增长率约15%，到2006年，已经有十几座超大型光伏发电系统在世界各地建成。
以科技发达著称的美国是最开始提倡光伏发电的国家，1997年美国政府颁布新的法令，大力发展太阳能事业，提倡国民把自家屋顶装上太阳能电池发电，政府以高价回收产生的电力。
而邻邦日本也很快发现太阳能的潜力，在二十世纪九十年代年提出了了新阳光计划，大力发展光伏发电技术应用，到2003年世界上一般的光伏发电元件都是由日本厂商生产，世界前10大光伏科技公司有4家是日本企业。
而德国新可再生能源法，加速了光伏发电行业在德国的发展，促进了光伏发电市场和产业的急速发展，种种措施的实施使德国成为光伏发电技术先进大国。
诸多欧洲发达国家紧随德国的脚步，制定适合国情的光伏发电发展计划，推广太阳能清洁能源的使用，投入大量资金用于光伏发电的研究，加速光伏发电工业化进程。
1.2课题研究的目的和意义
我国地域面积广阔，各种能源资源丰富。
但是我国人口众多，人均低于全球水平，而且化石能源属于不可再生能源，一旦挖采过度，就可能面临严重的能源危机。
化石资源不仅不可持续，而且对环境会造成极大的污染，我国环境污染形势极其恶劣，就在去年冬天，我国多地出现雾霾天气，几天甚至几个月看不见蓝天，有的地区终日不见天日。
空气污染还严重影响着国民的身体健康，据国家疾病中心统计，近些年来我国肺病患者正在急剧增加，呼吸道疾病及其衍生疾病正在吞噬着国民的健康。
国家近些年来，大力发展科技，走可持续发展道路，鼓励新型能源的利用。
包括太阳能、风能、地热能、水能、海洋能等清洁能源，开发和使用可再生能源和无污染能源是国家的政策所向。
而太阳能相对于其他清洁能源具有易开发、产量大、应用范围广阔、相对安全、资源充足等巨大的优势，所以国家大力发展光伏发电产业，推动行业快速发展。
我国拥有大量的太阳能资源有待开发。
我国拥有广阔的土地，其中华东华北等诸多平原适合光伏电池的铺设，有利于大面积铺设光伏阵列，集中管理。
拥有“世界屋脊”之称的青藏高原海拔高，光照强烈，是光伏发电的优质地。
新疆纬度高，离海面远，远离海洋，阴雨天很少，空气污染少，每年有三分之二的时间是晴天，所以太阳能资源丰富。
国家能源局在2013年发布了《分布式光伏发电项目管理暂行办法》，规范了光伏发电行业，鼓励太阳能并网发电行业的迅速前进。
国家未来三年计划将投资200亿用来鼓励光伏发电的发展，越来越多的个人和公司将会注入更多资金和活力到光伏发电这个行业，这样光伏发电这个行业将会发展越来越快越来越好。
1.3本文的主要内容
本文首先介绍了光伏发电的发展历史和发展现状，说明了光伏发电产业在世界能源结构上的重要作用，然后详细的介绍了光伏发电系统，并对三相光伏发电的优缺点进行了论述。
论文的主要研究是通过以下几个方面来展开的。
（1）详细介绍了三相光伏并网发电系统的组成部分，对各个部分的作用进行了阐述，并对三相光伏发电系统的优缺点进行了分析。
（2）介绍了逆变器的作用和主要分类，并对其工作原理进行了详细分析，采用电压源型三相单级式全桥逆变器作为三相光伏发电系统的逆变器，并解释了它的工作原理。
（3）介绍了PWM技术的原理和发展状况，详细说明了SPWM技术原理，设计了采用SPWM技术逆变器的主电路，并对其进行分析。
（4）基于MATLAB/Simulink对三相光伏并网发电系统进行了仿真，得出符合国家规定的并网电流。
第二章三相光伏发电系统概述
2.1
三相光伏并网发电系统的构成
图2.1三相光伏并网发电系统示意图
三相光伏并网发电系统由光伏阵列、三相并网逆变器、控制器、交流电网等部分组成。
光伏阵列的作用是将太阳能转变成电能，它利用的原理是光生伏特效应原理，它是由多块太阳能电池组成，通过并联、串联的方法连接在一起组成的。
并网逆变器的主要功能是将直流电变为交流电，是整个光伏发电系统的核心部件。
逆变器主要由电力电子器件组成，通过正弦脉冲宽度调制（SPW）M控制技术将太阳能电池产生的直流电转变成与国家电网同频同相的正弦交流电。
控制器一般由单片机或微型处理器等部件组成，是三相光伏并网发电系统的重要组成部分，它主要是用来控制并网电流的波形和功率，使并网电流跟电网电流同步。
逆变电路控制器先对电网电流与电压进行采样，然后反馈给SPWM控制器，然后通过设定的控制方法来控制逆变器六个IGBT的开关，进而控制逆变器的交流电的输出。
2.2光伏并网系统的优缺点
三相光伏并网发电系统有诸多优点：
（1）与三相离网发电相比，不用考虑给负载供电的质量和稳定性等问题。
（2）系统直接将电力输入到电网上，省掉有蓄能作用的蓄电池，减少了因蓄电池的充放电而产生的能源消耗，而且降低了系统的成本，且能充分利用光伏阵列产生的电能。
（3）光伏并网系统还可以对晚上公共电网的高峰点进行调节。
目前三相光伏并网发电系统也存在几个问题:
（1）逆变器产生的谐波会污染电网，对电力电网的安全性和稳定性造成影响。
（2）光伏阵列发电效率低,发电效果差，不能改变当前主流电力结构。
3）系统造价高，维护费用高，输出的电力昂贵
第三章并网逆变器
3.1并网逆变器的作用
在光伏并网发电系统中，系统的核心部分是保持逆变器输出的并网电流与电网电压一致，是与系统输出的电力质量和运行效率直接相关的，并网逆变器是系统关键部分的重要技术。
光伏并网逆变器的作用是控制逆变电路将直流电转变成交流电，并使其输出的交流电流与公共电网电压保持同频同相，并且质量高，稳定性好。
3.2逆变器的分类与选择
（1）并网逆变器是光伏并网发电系统的核心部分，它连接着光伏电池和公共电网。
其按控制方式可分为电压型控制和电流型控制。
公共电网可以看作是一个大型的交流电压源，因为它的容量非常大，外接的电源改变不了它的电压、相位、幅值等固有特性。
如果采用电流源作为输入，为了稳定光伏电池产生的直流电流需要串联一个大电感，这样会导致系统的动态响应差。
所以一般采用电压源作为输入。
采用电流控制的电压源作为输入，则只需要控制逆变器的输出电流与公共电网的电压同步，就能达到并网要求，且系统稳定，方法简单。
所以一般采用电压源电流控制方法。
（2）按逆变器主电路的拓扑结构来分类，三相电压型逆变器可以分为:
半桥式逆变器和全桥式逆变器。
①三相半桥式逆变电路
该逆变器有以下几个特点
（1）电路简单，使用器件少，系统简单。
（2）工作时必须注意两侧直流电压均衡，不然的话容易引起电子部件发生故障。
（3）适用于几十千瓦的小型电路。
②三相全桥式逆变电路三相全桥式逆变器具有输出功率大、方便控制、功率开关电压小等优点，能有效的过滤高次谐波，不足之处是带不平衡负载的能力较弱。
三相并网发电逆变器的负载为电网，公共电网可以看作是一个理想的三相平衡负载，所以选用三相全桥式逆变电路更为合适。
3.3并网逆变电路的基本工作原理
此次仿真所采用的逆变电路类型为电压源型三相单级式全桥逆变电路，拓扑结构如下图所示：
图3.3三相逆变电路拓扑结构图
如图3.3所示为电压源型全控的三相单级式全桥逆变电路的主电路等效结构，图中DC代表太阳能电池板所发出的直流电，VD代表前向二极管，防止反向电压对光伏电池的损害，S1-S6为IGBT管，L1，L2，L3为滤波电感。
ae，be，ce为三相电网电动势，au，bu,cu为逆变器输出电压。
从系统图可以看出，三相电桥每一个桥臂有两个开关管，一共有六个开关管。
它是一个三相六桥臂的桥式逆变电路。
各相开始导电的角度差为120o，同一相两桥臂导电开关相反，即上下桥臂轮流通电。
如此直流电经过逆变电路就会变为我们需要的三相正弦交流电。
第四章SPWM技术
4.1PWM技术的发展
PW（MPulseWidthModulation）控制就是通过对脉冲宽度的调制，改变脉冲周期和占空比，从而改变电压。
即通过对脉冲宽度进行调制，就可以获得所需要的相同频率、幅值的电压。
PWM控制技术利用的是面积等效原理，只要窄脉冲的面积相同，不管它形状各异，如果输出时具有惯性的环节，它所产生的电流电压效果是一样的。
PWM技术被广发的
应用到各种电子电力技术行业中，尤其是逆变电路中。
由于它结构简单，原理简单，性能优良，技术成熟，现在已经成为电子电力技术中不可或缺的重要组成。
SPW（MSinusoidalPulseWidthModulation）正弦脉冲宽度调制法是目前技术完善，电力电子技术普遍使用的PWM技术之一。
SPWM波形通过控制逆变电路中的IGBT等器件的开关，使输出的脉冲电压在相应的区间内与理想输出正弦电压的波形的面积相同，逆变器的输出电压的频率和幅值跟随调制波的频率和幅值的改变而变化。
它的结构简单，实用性强，适用范围广，原理简单易于实现等诸多优点使其得到广泛利用。
4.2SPWM控制技术原理
如图4.1所示，将图（a）正弦波分成N个脉冲序列，各个脉冲序列的宽度相等，但幅值不等，各个脉冲的幅值组成正弦波。
根据面积等效原理，在每个脉冲序列的中心位置，画一个与正弦脉冲序列面积相等的矩形，其中矩形的中心位置与正弦脉冲序列的中心重合，得到图（b）所示矩形脉冲序列，这样正弦脉冲序列就可以被矩形脉冲序列所代替，而效果相同。
这就是SPWM控制技术的原理。
通过改变调制波的频率和幅值就可以改变输出电压的波形（幅值和频率）。
图4.1PWM技术原理图
SPWM包括单极性控制和双极性控制两种控制方式
（1）单极性控制方法：
如图4.1所示，在正弦调制波的半个周期内，三角载波只在正或负一种极性范围内变化，所得到的SPWM波也只处于正或负一个极性范围内。
（2）双极性控制方法：
如图4.2所示，在正弦调制波的半个周期内，三角载波在正负极性之间连续变化，则SPWM波在正负两个极性范围变化。
4.3SPWM逆变器主电路设计
（1）单相桥式电压型逆变电路
单相桥式逆变电路双极性PWM控制方式：
如图4.2所示，Ur为调制信号，Uc为载波信
号，通过比较Ur和Uc的大小关系来控制开关器件的通断，当Ur>Uc时，S1和S4导通，
图4.3单相桥式逆变电路
（2）三相桥式电压型逆变电路
如图4.4是三相桥式SPWM逆变器的主电路，图中S1—S6是逆变器的六个IGBT器件，DC为直流电压源，L为滤波器。
与单相逆变电路相似，通过调制信号与载波信号的比较，形成SPWM脉冲序列波，来控制IGBT的开关，产生三相正弦交流电。
图4.4三相桥式逆变电路
第五章基于Simulink三相并网控制系统的仿真与分析
5.1三相光伏并网发电系统控制系统分析
图5.1三相光伏并网发电系统控制系统
上图是三相并网光伏发电系统的Simulink仿真图。
DC代表的是光伏发电中太阳能电
池发出的直流电。
由六个IGBT组成的逆变器负责将直流电转化为交流电。
利用PWM的控
制方法来控制六个IGBT管的开关，使其将直流电变为三相正弦交流电。
接着由三个电感对
输出的三相正弦交流电进行滤波，得到稳定的三相正弦交流电，再输入到电网上
图5.2subsystem内部PWM
上图是subsystem里的三个PWM结构，用来控制逆变器输出三相交流电。
取PWM作1为例子说明原理。
控制系统从电网上取得一个实时电网电压，通过反相放大器，只保留电网电压的相位。
再与给定的电流阶跃信号相乘，与实际送往电网上的电流信号作对比，得出输送电流与电网电流的误差，再通过PI控制器处理后与三角波进行比较，形成闭环控制系统，再通过PWM控制逆变器里IGBT的开关，得出与电网同频同相的三相正弦交流电输出。
PI控制器是一种线性控制器，通过将输出值与理想值作比较，将差值通过比例积分调节，来控制系统的输出。
这种控制方法提高了系统的动态和静态性能的优点，提高了系统的稳定性，电流控制系统对参数变化不敏感和输出电流谐波含量少的优点。
图5.3SPWM闭环控制
5.2系统仿真结果
图5.4单相并网电流与电网电压比较
由图5.4可得，往电网输入的电流与电网电压同相同频，电流稳定，质量高，符合国家并网要求。
图5.5三相并网电流与电网电压比较
由图5.5可得出，逆变器的输出电流在短暂的波动后，立即与电网电压保持同频同相，可见控制系统响应快，符合并网要求。
注：
系统参数
参数
数值
参数
数值
DC
800V
L1、L2、L3
（5e-3）H
KP
10
U、V、W
220?
√2
KI
1
F
50HZ
5.3改变参数，观察仿真结果变化
（1）改变KP值，观察仿真结果
图5.6改变KP值后单相并网电流的变化
图5.7改变KP值三相后并网电流的变化
将KP值改为0.01，得出上图波形。
由上图可得，KP值减小后，输出的三相电流偏差变大，并联电流质量变差，不符合并网要求。
（2）改变输入的阶跃函数，观察仿真结果。
输入一个变化的阶跃函数，在0.1S时，阶跃信号电流由30A变化到80A。
图5.8阶跃信号的值
图5.9改变阶跃信号后三相并网电流的变化
5.10改变阶跃信号后单相并网电流的变化
由上图可见，在0.1秒时，系统电流由30A变化到80A，输出电流也立刻改变，系统
响应迅速。
3）改变电感L，观察仿真结果
5.11改变电感后并网电流的变化
经过多次试验比较，电感L的值越大，滤波结果越好。
但增大电感L会增加系统功率的损耗，造成过多无用功，所以要取一个合适的值。
第六章总结与展望
随着社会的发展，人们对能源的需求越来越大，而传统化石能源的不可再生和污染大等缺点与可持续发展政策相距甚远。
太阳能作为清洁能源，其储量大、应用面广等优点完全符合社会的发展，国家也在鼓励大力发展光伏发电。
在此背景下，本文对三项光伏并网发电系统控制系统进行了探讨。
本文第一章介绍了光伏发电的背景和未来的发展趋势。
第二章介绍了光伏发电系统的原理和基础知识。
第三章介绍了逆变器的工作原理和逆变器的选择。
第四章介绍了SPWM控制技术的发展历程和工作原理，详细分析了各种控制方法的优劣。
第五章是基于Simulink的三项光伏并网发电系统控制系统仿真，设计的系统输出的电流能与电网电压保持同频同相，且稳定性高，响应迅速，电流质量高。
由于学识和时间的限制，本文还有许多未完成的工作需要继续研究，没有对光伏电池阵列进行研究，不能控制光伏阵列输出的直流电流。
没有对光伏并网系统控制系统做进一步深入的研究，没有对其他控制方法进行比较，进一步完善控制系统。
这些问题也将成为下一步探索的方向。
我相信不久的将来光伏发电一定会进入千家万户，成为人们生活的一部分。
致谢
衷心感谢导师杨勇老师在毕业设计中给我的帮助，本文的所有工作都是在杨勇老师的悉心指导下完成，从论文的选题、资料收集、系统设计、实验仿真到论文撰写，这一切离不开杨勇老师的辛勤汗水。
同时感谢城市轨道交通学院的所有老师们，感谢你们四年来对我们的细心照顾与亲切关怀，你们不仅是我的良师，更是我的益友。
感谢电气工程与自动化的全体同学，感谢四年来你们对我的帮助，四年来我们一起学习，一起进步，相信以后的日子里，我们会越飞越高，越来越好。
感谢我的家人和亲友，感谢他们对我的无私地奉献和无私的爱，感谢我的父母一直以来对我的大力支持，使我顺利的完成学业，你们的关爱是我前进的动力。
最后，向审阅论文的各位评审专家表示真诚地谢意。
参考文献
[1]洪乃刚.电力电子电机控制系统的建模和仿真[M].北京:
机械工业
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